“遠(yuǎn)距離輸電”教學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計

黃靖薇 張軍朋

(華南師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州 510006)

遠(yuǎn)距離輸電是將物理學(xué)和工程技術(shù)相結(jié)合的一節(jié)應(yīng)用課.筆者認(rèn)為,采用“科學(xué)史→探究”的教學(xué)策略,補(bǔ)充教學(xué)內(nèi)容來呈現(xiàn)完整的輸電發(fā)展史,并利用自制教具輔助教學(xué),能促進(jìn)學(xué)生對科學(xué)知識的建構(gòu)和科學(xué)本質(zhì)的理解.

1 增加宏觀史料,重組教學(xué)內(nèi)容

1.1 補(bǔ)充輸電史前期摒棄直流發(fā)電原因

使用科學(xué)史授課容易出現(xiàn)的問題是重微觀、輕宏觀,重片段、輕整體.在“遠(yuǎn)距離輸電”的教學(xué)中,從19世紀(jì)到現(xiàn)代輸電技術(shù)的宏觀史料鮮有提及,然而輸電史的宏觀脈絡(luò)是不可或缺的.學(xué)生在學(xué)習(xí)電路時,首先學(xué)習(xí)直流電,不知道生活中發(fā)電廠要采用交流電的原因,因此補(bǔ)充了發(fā)展史前期直流配電發(fā)展和其缺陷.

1.2 調(diào)整教學(xué)次序,符合認(rèn)知規(guī)律

高中物理粵教版選修3-2遠(yuǎn)距離輸電教學(xué)內(nèi)容的展開流程如圖1.

圖1 粵教版教材遠(yuǎn)距離輸電教學(xué)流程

教材直接介紹從變電站到用戶的輸電線路圖,線路圖中有一次降壓和二次降壓的過程,這樣復(fù)雜的輸電過程不利于學(xué)生理解,且學(xué)生不知道這樣設(shè)計的原因.因此,在本節(jié)課中,先讓學(xué)生根據(jù)公式演繹推理得出減少導(dǎo)線發(fā)熱損耗電能的有效方法是高壓輸電,再讓學(xué)生用已有的器件“變壓器”、“低壓交流源”、“用戶”組裝高壓交流輸電線路圖.然后根據(jù)線路圖進(jìn)行模擬輸電的實驗,讓學(xué)生參與了物理學(xué)與技術(shù)相結(jié)合的設(shè)計過程,符合了學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律.

2 采用 “科學(xué)史→探究”教學(xué)策略

學(xué)生學(xué)習(xí)物理的進(jìn)程和人類研究物理學(xué)的進(jìn)程具有內(nèi)在相似性.在遠(yuǎn)距離輸電發(fā)展的歷史進(jìn)程中,配電、輸電方式選取的關(guān)鍵點、突破點往往是本節(jié)課教學(xué)的重點和難點.故本節(jié)課采用“科學(xué)史→探究”教學(xué)策略,以“近代輸電→現(xiàn)代輸電→新型輸電”為線索,每個技術(shù)的發(fā)展都會推動知識點的學(xué)習(xí)進(jìn)程.學(xué)生在跟隨科學(xué)家腳步學(xué)習(xí)的過程中,能感受科學(xué)探索精神,滲透人文教育.

2.1 呈現(xiàn)歷史問題，形成假設(shè)

教師創(chuàng)設(shè)情境,讓學(xué)生化身19世紀(jì)的科學(xué)家,當(dāng)時采用愛迪生直流配電系統(tǒng)時,同樣遇到導(dǎo)線發(fā)熱消耗過多電能的問題.為幫助愛迪生解決輸電難題,教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)已學(xué)的公式P損=I2R，P輸出=U輸I輸,推導(dǎo)得出減少導(dǎo)線發(fā)熱的有效方法是高壓輸電.學(xué)生在此過程中通過推理論證形成了解決問題的猜想.

設(shè)計意圖： 使學(xué)生為解決用戶得到的電能不足的問題,從能量守恒的角度從導(dǎo)線發(fā)熱消耗電能的方向入手解決問題,在科學(xué)推導(dǎo)的過程中構(gòu)建和認(rèn)識在能量輸送中各變量之間的關(guān)系,從而得出假設(shè).

2.2 運用邏輯推理，自主設(shè)計實驗

基于愛迪生的直流配電系統(tǒng)升高電壓存在技術(shù)困難,引起學(xué)生對直流發(fā)電的質(zhì)疑.結(jié)合特斯拉買下變壓器專利和愛迪生與特斯拉電流大戰(zhàn)的史料,講解高壓輸電要運用交流電的原因,并引導(dǎo)學(xué)生回答如何將交流電升壓并設(shè)計組裝從發(fā)電廠到用戶的輸電線路圖.

設(shè)計意圖： 重演了科學(xué)家探索和認(rèn)識輸電的過程,體驗了配電輸電方式是如何選擇和發(fā)展的,培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、探索知識的能力,從而促進(jìn)科學(xué)素養(yǎng)的提高.

教學(xué)過程具體如下.

師:由此我們就得出降低導(dǎo)線發(fā)熱功率的有效方法就是高壓輸電.那我們怎么樣把愛迪生的100 V直流電進(jìn)行升壓呢?

生:用變壓器.

師:同學(xué)們都提到了變壓器,但是變壓器只適用于交流電,如果我們要對直流電進(jìn)行升壓的話,我們只能讓發(fā)電機(jī)發(fā)出更高的直流電壓,但是如果我們要幾百千伏的話，這存在著技術(shù)困難.剛才同學(xué)們提的變壓器提得很好,那我們就要用到什么電了?

圖 2 至圖 11 為引物 S11、S13、S29、S32、S40、S43、S44、S47、S49、S50 的 RAPD 擴(kuò)增圖譜。 10 個指紋圖譜綜合分析結(jié)果表明，湖南古丈與恩施太陽河、宣恩椒園的共同點位很少，擴(kuò)增的條帶少，它們的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，而恩施紅廟與湖南古丈、建始花坪與巴東茶店子的擴(kuò)增帶的相似性很大且譜帶清晰，所擴(kuò)增的片段都在100～1 000 bp，它們的親緣關(guān)系較近。

生:交變電流.

師:但是愛迪生卻認(rèn)為直流電才是唯一的輸電途徑,他不接受交流電,但是特斯拉卻對交流電很感興趣,他一直在思考和探索用什么樣的方法才能替代愛迪生的直流配電系統(tǒng).直到他知道有人獲得變壓器專利的時候,他果斷地把專利買了下來.那么同學(xué)們思考一下,怎么樣用這變壓器來組裝我們的高壓輸電的輸電線路圖呢?同學(xué)們討論起來.(討論)

師:發(fā)電廠發(fā)出低壓交流電,同學(xué)們想到用什么方法進(jìn)行高壓輸電嗎?

生:用升壓變壓器升高電壓.

師:那升高后的電壓能直接地輸送給我們的用戶使用嗎?

生:不行,輸完電要用降壓變壓器降低電壓.

師:由此我們就得出了高壓輸電的輸電線路圖.

2.3 進(jìn)行實驗，驗證猜想

根據(jù)線路圖,教師展示自制的模擬遠(yuǎn)距離輸電演示儀,介紹演示儀的構(gòu)造和工作原理,并點亮燈泡驗證高壓輸電能否有效降低電能損耗(如圖2).在演示實驗后讓學(xué)生對整個實驗過程進(jìn)行總結(jié)并小組交流.

圖2 低壓交流輸電和高壓交流輸電燈泡亮度對比

2.4 輸電矛盾再現(xiàn)，提出猜想

由教師引入40年后輸電史上迎來了新的輸電難題,在大功率輸電線路中導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗不可忽略.教師提出問題“采用什么輸電方式能使導(dǎo)線中的感抗和容抗不體現(xiàn)在回路當(dāng)中”.通過讓學(xué)生提出問題解決的方案進(jìn)一步提高學(xué)生的探究能力.在此過程中教師要做適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo),得出在大功率輸電線路采用直流輸電能使導(dǎo)線中的感抗和容抗不體現(xiàn)在回路當(dāng)中.要共同減少導(dǎo)線上電阻、電感、電容的影響,逐步引導(dǎo)學(xué)生思考要把高壓交流輸電和直流輸電相結(jié)合,從而使電能輸送率最大化.

設(shè)計意圖： 直流輸電是一種新型的輸電方式,在課堂上引導(dǎo)學(xué)生重演其發(fā)展過程,既能增強(qiáng)學(xué)生科學(xué)推理能力,又能讓學(xué)生感知輸電歷史的發(fā)展是曲折的,培養(yǎng)科學(xué)研究的科學(xué)態(tài)度.

2.5 實驗驗證，反思交流

教師通過自制教具高壓直流輸電演示儀,在高壓交流輸電的基礎(chǔ)上加上交流轉(zhuǎn)直流的整流裝置、直流轉(zhuǎn)交流的逆變裝置,驗證高壓直流輸電的可行性(如圖3).學(xué)生在了解實驗原理的基礎(chǔ)上,進(jìn)行實驗,認(rèn)真觀察實驗現(xiàn)象,并對結(jié)果進(jìn)行交流、反思.

圖3 高壓交流輸電和高壓直流輸電燈泡亮度對比

3 巧用自制教具,突破教學(xué)難點

在本教學(xué)設(shè)計中,教學(xué)難點是理解導(dǎo)線中電阻、感抗、容抗對輸電線路的影響.學(xué)生對電阻、因大功率線路導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗對線路影響的認(rèn)知是模糊的.在教材中本節(jié)的實驗與研究部分是解決導(dǎo)線中電阻對輸電線路的影響,但該實驗不能證明長導(dǎo)線電阻對輸電線路有多大的影響.而導(dǎo)線感抗、容抗的對線路的影響鮮有提及,所以有必要增加相應(yīng)的演示實驗.

為了提高課堂效率,筆者設(shè)計了遠(yuǎn)距離輸電實驗系列教具，能使演示效果更直觀,有效地幫助學(xué)生解決學(xué)習(xí)疑難.

3.1 突破理解導(dǎo)線中電阻對輸電線路影響的教學(xué)難點

學(xué)生在作業(yè)題中經(jīng)常能看到一句話“導(dǎo)線電阻可忽略”,容易產(chǎn)生導(dǎo)線電阻都可以忽略的認(rèn)知誤區(qū).而本節(jié)課常規(guī)教學(xué)中都是教師口頭說長導(dǎo)線電阻就不能忽略,而今通過實驗“電源對3個并聯(lián)的燈泡供電,接入5m、60m導(dǎo)線對比燈泡亮度”說明問題,能更深刻地認(rèn)識到長導(dǎo)線電阻不能被忽略,會發(fā)熱消耗大部分電能(如圖4).

圖4 展示接入不同長度導(dǎo)線對輸電線路影響教具

3.2 突破理解導(dǎo)線中感抗和容抗對輸電線路影響的教學(xué)難點

基于學(xué)生的認(rèn)知水平,學(xué)生不理解電容和電感會對輸電線路產(chǎn)生多大的影響.通過自制教具在輸電線路并聯(lián)電容和串聯(lián)電感模擬導(dǎo)線中產(chǎn)生感抗和容抗,進(jìn)行對比實驗.觀察到加上電容和電感的電路的燈泡比沒加的更暗.從而直觀地體現(xiàn)出感抗和容抗損耗的電能是很多的(如圖5).這個過程能使學(xué)生對大功率交流電使導(dǎo)線產(chǎn)生的感抗和容抗對輸電線路影響的認(rèn)知更為深刻.

圖5 感抗容抗對高壓交流輸電線路影響實驗效果圖